KR101411753B1 - 석영 가드 링 - Google Patents

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KR101411753B1
KR101411753B1 KR1020097009707A KR20097009707A KR101411753B1 KR 101411753 B1 KR101411753 B1 KR 101411753B1 KR 1020097009707 A KR1020097009707 A KR 1020097009707A KR 20097009707 A KR20097009707 A KR 20097009707A KR 101411753 B1 KR101411753 B1 KR 101411753B1
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다니엘 브라운
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

반도체 기판 프로세싱에 사용되는 플라즈마 반응 챔버에 대한 전극 어셈블리. 그 어셈블리는, 상부 전극, 상부 전극의 상부면에 부착가능한 배킹 부재, 및 외부 링을 포함한다. 외부 링은, 배킹 부재의 외부면을 둘러싸고, 상부 전극의 상부면 위에 위치된다.
Figure R1020097009707
전극 어셈블리, 플라즈마 반응 챔버, 상부 전극, 배킹 부재, 외부 링

Description

석영 가드 링{QUARTZ GUARD RING}
관련 출원에 대한 상호-참조
본원은, 2006년 10월 16일자로 출원된 미국 가특허출원 제60/852,345호에 대해 우선권을 주장하며, 이는 본원에 전체 참조로 포함된다.
개요
일 실시형태에 의하면, 반도체 기판 프로세싱에 사용되는 플라즈마 반응 챔버에 대한 전극 어셈블리는, 상부 전극; 상부 전극의 상부면에 부착가능한 배킹 부재; 및 배킹 부재의 외부면을 둘러싸고 상부 전극의 상부면 위에 위치되는 외부 링을 포함한다.
추가 실시형태에 의하면, 반도체 기판 프로세싱에 사용되는 플라즈마 반응 챔버의 전극 어셈블리에서 사용하기 위한 가드 링으로서, 전극 어셈블리는 배킹 부재에 접합된 샤워헤드 전극을 포함하고, 한정 링 어셈블리가 그 전극 어셈블리를 둘러싸며, 가드 링은 배킹 부재의 외주와 한정 링 어셈블리의 내주 사이에 끼워 맞추도록 구성되며, 상부 전극의 상부면 위에 놓이도록 구성된 하부면을 갖는다.
다른 실시형태에 의하면, 상부 전극; 상부 전극의 상부면에 부착가능한 배킹 부재; 및 배킹 부재의 외부면을 둘러싸고 상부 전극의 상부면 위에 위치되는 외부 링을 갖는 전극 어셈블리를 포함하는 플라즈마 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는 방법으로서, 플라즈마 챔버에서, 갭에 의해 상부 전극으로부터 분리되는 하부 전극 상에 반도체 기판을 지지하는 단계; 그 갭에 프로세스 가스를 공급하고 프로세스 가스를 플라즈마로 에너자이징하는 단계; 및 플라즈마로 반도체 기판을 프로세싱하는 단계를 포함한다.
도면의 간단한 설명
도 1 은, 가드 링을 갖는 기판들을 에칭하기 위한 플라즈마 반응기의 샤워헤드 전극 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
도 2 는, 도 1 의 샤워헤드 전극 어셈블리의 일부의 단면도를 나타낸다.
도 3 은, 상부 전극, 배킹 부재 및 가드 링을 포함하는 도 2 의 샤워헤드 전극 어셈블리의 일부의 단면도를 나타낸다.
도 4 는, 가드 링의 상부도를 나타낸다.
도 5 는, 라인 5 - 5 를 따라 도 4 의 가드 링의 단면도를 나타낸다.
도 6 은, 일 실시형태에 따른 가드 링의 단면도를 나타낸다.
도 7 은, 일 실시형태에 따라 가드 링을 갖는 상부 전극 및 배킹 부재의 일부의 단면도를 나타낸다.
도 8 은, 다른 실시형태에 따른 가드 링의 단면도를 나타낸다.
도 9 는, 추가 실시형태에 따라 가드 링을 갖는 상부 전극 및 배킹 부재의 일부의 단면도를 나타낸다.
상세한 설명
집적 회로 칩의 제작은 통상, "웨이퍼" 라 불리는 (실리콘 (silicon) 또는 게르마늄과 같은) 고순도의 단결정 반도체 재료 기판의 얇은 폴리싱된 슬라이스로 시작한다. 각각의 웨이퍼에는, 그 웨이퍼 상에 다양한 회로 구조물들을 형성하는 일련의 물리적 및 화학적 프로세싱 단계들이 실시된다. 제작 프로세스 동안에는, 이산화 실리콘 막들을 생성하기 위한 열 산화, 실리콘 막, 이산화 실리콘 막 및 질화 실리콘 막을 생성하기 위한 화학 기상 증착, 및 다른 금속 막들을 생성하기 위한 스퍼터링 또는 다른 기술들과 같은 다양한 기술들을 이용하여 다양한 유형의 얇은 막들이 웨이퍼 상에 퇴적될 수도 있다.
반도체 웨이퍼 상에 막을 퇴적한 후에, 도핑이라 불리는 프로세스를 이용하여 반도체 결정 격자 내에 선택된 불순물들을 치환함으로써 고유의 전기적 특성의 반도체들이 생성된다. 그 후, 도핑된 실리콘 웨이퍼는, "레지스트" 라 불리는 감광성 재료 또는 감방사선성 재료의 얇은 층으로 균일하게 도포될 수도 있다. 그 후, 레지스트 상에는, 회로 내의 전자 경로들을 정의하는 작은 기하 패턴들이 리소그래피로 알려진 프로세스를 이용하여 전사될 수도 있다. 리소그래피 프로세스 동안, 집적 회로 패턴이 "마스크" 라 불리는 유리판 상에 드로잉된 후, 감광성 도포물 상으로 광학적으로 감소, 투영, 및 전사될 수도 있다.
그 후, 리소그래피된 레지스트 패턴이 에칭으로 알려진 프로세스를 통하여 반도체 재료의 하지의 결정질면 상으로 전사된다. 일반적으로, 진공 프로세싱 챔버들은, 진공 챔버에 에칭 또는 증착 가스를 공급하고 그 가스에 무선 주파수 (RF) 계를 인가하여 그 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써 기판들 상에의 재료들의 에칭 및 화학 기상 증착 (CVD) 을 위해 사용된다.
통상, 반응성 이온 에칭 시스템은, 상부 전극 또는 애노드, 및 그 안에 위치된 하부 전극 또는 캐소드를 가진 에칭 챔버로 이루어진다. 캐소드는, 애노드 및 컨테이너 벽들에 대하여 음으로 바이어싱된다. 에칭될 웨이퍼는, 적절한 마스크에 의해 커버되고 캐소드 바로 위에 배치된다. O2, N2, He 또는 Ar 과 함께 CF4, CHF3, CClF3, HBr, Cl2 및 SF6, 또는 이들의 혼합물들과 같은 화학적 반응성 가스가 에칭 챔버 내로 도입되고, 통상 밀리토르 범위에 있는 압력으로 유지된다. 상부 전극에는, 가스가 전극을 통하여 챔버 내로 균일하게 분산되도록 허용하는 가스 홀(들)이 구비된다. 애노드와 캐소드 사이에 확립된 전계는 플라즈마를 형성하는 반응성 가스를 해리시킬 것이다. 웨이퍼의 표면은, 액티브 이온들과의 화학적 반응에 의해, 그리고 웨이퍼의 표면에 충돌하는 이온들의 운동량 전달 (momentum transfer) 에 의해 에칭된다. 전극들에 의해 생성된 전계는, 프로세스가 명확한 수직으로 에칭된 측벽들을 생성하도록, 이온들을 캐소드로 끌어당겨, 이온들이 표면에 주로 수직의 방향으로 충돌하도록 할 것이다. 에칭 반응기 전극들은 종종 기계적 가요성 (mechanically compliant) 접착제 및/또는 열전도성 접착제로 2 개 이상의 다른 부재들을 접합시킴으로써 제작되어, 다양한 기능이 허용될 수도 있다.
도 1 은, 기판들을 에칭하기 위한 플라즈마 프로세싱 시스템의 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 의 일부의 단면도를 나타낸다. 도 1 에 나타낸 것처럼, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는, 상부 전극 (110), 배킹 부재 (140) 및 가드 링 (또는, 외부 링) (170) 을 포함한다. 또한, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는, 상부 전극 (110) 및 배킹 부재 (140) 의 외주를 둘러싸는 플라즈마 한정 어셈블리 (또는, WAP (Wafer Area Plasma) 어셈블리) (180) 를 포함한다. 가드 링 (170) 은, 플라즈마 프로세싱 시스템의 열 순환 동안, 가드 링 (170) 이 가드 링 (170) 과 한정 어셈블리 (180) 사이의 방사방향 갭 (200) 의 편차를 최소화시키도록, 배킹 부재 (140) 를 둘러싸고 바람직하게는 배킹 부재 (140) 주위에 위치되거나 센터링된다. 외부 링 또는 가드 링 (170) 이 반응성 이온 에칭 시스템과 관련하여 나타나 있지만, 가드 링 및 센터링 피쳐들이 세정 에칭 시스템 또는 건식 에칭 시스템을 포함하는 임의의 적절한 시스템으로 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는, 열 제어 부재 (102) 및 상부판 (104) 을 포함한다. 상부 전극 (110) 은 바람직하게는 내부 전극 (120) 및 선택적인 외부 전극 (130) 을 포함한다. 내부 전극 (120) 은, 바람직하게는 원통형판이며, 단결정 실리콘으로 제조될 수도 있다. 배킹 부재 (140) 는 엘라스토머 재료 (elastomeric material) 로 내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 에 고정된다. 배킹 부재 (140) 는, 내부 배킹 부재 (150) 및 선택적인 외부 배킹 부재 (160) 를 포함할 수 있다. 배킹 부재 (140) 가 단일의 원통형판으로 이루어지는 경우, 가드 링 (170) 은 배킹 부재 (140) 를 둘러싼다. 대안으로, 배킹 부재 (140) 가 내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 로 이루어지는 경우, 가드 링 (170) 은 외부 배킹 부재 (160) 를 둘러싸도록 구성된다.
도 1 에 나타낸 것과 같은 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는 통상, 웨이퍼가 상부 전극 (110) 아래에 1cm 내지 2cm 간격을 두고 지지되는 평평한 하부 전극을 갖는 정전척 (미도시) 과 함께 사용된다. 이러한 플라즈마 프로세싱 시스템의 일 예는, 캘리포니아, 프레몬트 소재의 램 리써치 코포레이션에 의해 제조된 Exelan® 유전체 에칭 시스템과 같은 평행 판형 반응기이다. 이러한 척킹 장치들은, 웨이퍼와 척 사이의 열 전달의 레이트를 제어하는 백사이드 헬륨 (He) 압력을 공급함으로써 웨이퍼의 온도 제어를 제공한다.
상부 전극 (110) 은 주기적으로 교체되어야 하는 소모품이다. 바람직한 실시형태에서, 상부 전극 (110) 은, 전극에 의해 에너자이징되고 상부 전극 (110) 바로 밑의 반응 구역에 플라즈마를 형성하는 프로세스 가스를 공급하는데 적절한 사이즈 및 분포인 복수의 이격된 가스 방출 통로들 (106) 이 구비된 샤워헤드 전극이다.
또한, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는, 상부 전극 (110) 및 배킹 부재 (140) 의 외주를 둘러싸는 플라즈마 한정 어셈블리 (또는, WAP 어셈블리) (180) 를 포함한다. 플라즈마 한정 어셈블리 (180) 는 바람직하게는, 상부 전극 (110) 및 배킹 부재 (140) 의 외주를 둘러싸는 일 스택의 또는 복수의 이격된 석영 링들 (190) 로 이루어진다. 프로세싱 동안, 플라즈마 한정 어셈블리 (180) 는, 반응 구역에 차압 (pressure differential) 을 야기하고, 반응 챔버 벽들과 플라즈마 사이에 전기적 저항을 증가시켜, 상부 전극 (110) 과 하부 전극 (미도시) 사이에 플라즈마를 한정한다.
이용 중에, 한정 링들 (190) 은, 플라즈마를 챔버 체적에 한정하고 반응 챔 버 내의 플라즈마의 압력을 제어한다. 반응 챔버에 대한 플라즈마의 한정은, 한정 링들 (190) 사이의 간격, 플라즈마 내의 압력과 한정 링들 외부의 반응 챔버 내의 압력, 가스의 유형과 흐름 레이트는 물론, RF 전력의 레벨과 주파수를 포함하는 많은 요인들의 함수이다. 효과적인 플라즈마 한정을 위해, 한정 링들 (190) 외부의 압력은, 바람직하게는 30 밀리토르 미만으로 가능한 낮아야 한다. 플라즈마의 한정은, 한정 링들 (190) 사이의 간격이 매우 작은 경우에 보다 쉽게 달성된다. 통상, 한정을 위해서는 0.15 인치 이하의 간격이 요구된다. 그러나, 한정 링들 (190) 의 간격은 플라즈마의 압력을 또한 결정하며, 그 간격이 플라즈마를 유지하면서 최적의 프로세스 성능을 위해 요구된 압력을 달성하도록 조정될 수 있는 것이 바람직하다. 가스 공급장치로부터의 프로세스 가스는 상부판 (104) 내의 하나 이상의 통로들을 통하여 전극 (110) 에 공급된다. 그 후, 가스가 하나 이상의 수직으로 이격된 배플판들을 통하여 분포되고, 전극 (110) 내의 가스 분포 홀들 (106) 을 빠져나와, 프로세스 가스가 반응 구역 (102) 내에 고르게 분산된다.
내부 전극 (120) 은 바람직하게는 센터 (미도시) 로부터 외부 에지까지 균일한 두께를 갖는 평면 디스크 또는 판이다. 그 판이 단결정 실리콘으로 제조되는 경우, 내부 전극 (120) 은 프로세싱될 웨이퍼, 예를 들어, 현재 이용가능한 단결정 실리콘 재료의 최대 직경인 최대 300mm 보다 작거나, 같거나, 또는 더 큰 직경을 가질 수 있다. 300mm 웨이퍼들을 프로세싱하기 위해, 외부 전극 (130) 은 상부 전극 (110) 의 직경을 약 15 인치에서 약 17 인치까지 연장시키도록 구성된 다. 외부 전극 (130) 은, 연속 부재 (예를 들어, 링과 같은 폴리-실리콘 부재), 또는 세그먼트화된 부재 (예를 들어, 단결정 실리콘의 세그먼트들과 같이, 링 구성으로 배열된 2 내지 6 개의 분리된 세그먼트들) 일 수 있다. 내부 전극 (120) 은 바람직하게는 상부 전극 (110) 아래의 플라즈마 반응 챔버 내의 공간 내에 프로세스 가스를 주입하기 위한 다수의 가스 통로들 (106) 을 포함한다.
단결정 실리콘은 내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 의 플라즈마 노출면들에 대해 바람직한 재료이다. 고순도의 단결정 실리콘은, 원하지 않는 원소들의 최소량만을 반응 챔버 내로 도입하기 때문에 플라즈마 프로세싱 동안 기판들의 오염을 최소화시키고, 또한 플라즈마 프로세싱 동안 매끄럽게 마모시켜 입자들을 최소화시킨다. 상부 전극 (110) 의 플라즈마 노출면들에 대해 사용될 수 있는 대안의 재료들은 예를 들어, SiC, SiN, 및 AlN 을 포함한다.
구성에 있어서, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는 300mm 의 직경을 갖는 반도체 웨이퍼들과 같은 대형 기판들을 프로세싱할만큼 충분히 크다. 300mm 웨이퍼들의 경우, 상부 전극 (110) 의 직경은 적어도 300mm (millimeter) 이다. 그러나, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는, 원형이 아닌 구성을 갖는 기판들 또는 다른 웨이퍼 사이즈들을 프로세싱하도록 사이징될 수 있다.
도 2 는, 도 1 의 샤워헤드 전극 어셈블리의 일부의 단면도를 나타낸다. 도 2 에 나타낸 것처럼, 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 는, 내부 전극 (120), 외부 전극 (130), 내부 배킹 부재 (150), 외부 배킹 부재 (160), 외부 링 또는 가드 링 (170) 및 플라즈마 한정 링들 (190) 을 포함한다. 이러한 구성에서, 내부 전극 (120) 은 바람직하게는 내부 배킹 부재 (150) 와 동연 (co-extensive) 이고, 외부 전극 (130) 은 주변 배킹 부재 (160) 와 동연이다. 그러나, 내부 배킹 부재 (150) 는, 배킹 부재 (140; 도 3) 가 내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 을 지지하는데 사용되는 단일의 디스크 또는 판일 수 있도록 내부 전극 (120) 을 넘어서 연장할 수 있다. 내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 은 바람직하게는 엘라스토머 접합 재료로 내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 에 부착된다. 내부 배킹 부재 (150) 는, 플라즈마 프로세싱 챔버 내에 가스 흐름을 제공하기 위해 내부 전극 (120) 내의 가스 통로들 (106) 과 정렬된 가스 통로들 (108) 을 포함한다. 내부 배킹 부재 (150) 의 가스 통로들 (108) 은 통상 약 0.04 인치의 직경을 갖고, 내부 전극 (120) 의 가스 통로들 (106) 은 통상 약 0.025 인치의 직경을 갖는다.
내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 는, 바람직하게는 플라즈마 프로세싱 챔버에서 반도체 기판들을 프로세싱하기 위해 사용된 프로세스 가스들과 화학적으로 양립가능한 재료로 제조되고, 전극 재료의 열팽창 계수에 근접하게 매칭하는 열팽창 계수를 가지며, 및/또는 전기 및 열전도성이 있다. 내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 를 포함하는 배킹 부재 (140) 를 제조하는데 사용될 수 있는 바람직한 재료들은, 제한하려는 것은 아니지만, 그래파이트, SiC, 알루미늄 (Al), 또는 다른 적절한 재료들을 포함할 수 있다.
내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 은 열 및 전기 전도성이 있는 엘라스토머 접합 재료 (미도시) 로 각각 내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 에 부착될 수 있다. 엘라스토머 접합 재료는 열 순환으로 인한 열 응력 동안 상부 전극 (110) 과 배킹 부재 (140) 사이에서 상대적인 이동 (relative movement) 을 허용한다. 또한, 엘라스토머 접합 재료는 내부 전극 (120) 과 외부 전극 (130), 및 내부 배킹 부재 (150) 와 외부 배킹 부재 (160) 사이에서 열 및 전기 에너지를 전달한다. 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 의 표면들을 함께 접합시키기 위한 엘라스토머 접합 재료의 사용은 본원에 전체 참조로 포함되는 공동 소유된 미국특허 제6,073,577호에서 설명된다.
내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 는 바람직하게는 나사산을 갖는 볼트, 스크류 등일 수 있는 적절한 패스너들을 이용해 열 제어 부재 (102) 에 부착된다. 예를 들어, 볼트 (미도시) 가 열 제어 부재 (102) 내의 홀들에 삽입되어 배킹 부재 (140) 내의 나사산을 갖는 개구들에 스크류될 수 있다. 열 제어 부재 (102) 는, 굴곡부 (184) 를 포함하며, 바람직하게는 알루미늄, 알루미늄 합금 등과 같은 기계가공된 (machined) 금속성 재료로 제조된다. 상부판 (104) 은 바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 플라즈마 한정 어셈블리 (또는, WAP 어셈블리) (180) 는 샤워헤드 전극 어셈블리 (100) 의 외측에 위치된다. 복수의 수직으로 조정가능한 플라즈마 한정 링들 (190) 을 포함하는 적절한 플라즈마 한정 어셈블리 (180) 는 본원에 전체 참조로 포함되는 공동 소유된 미국특허 제5,534,751호에서 설명된다.
도 3 은, 내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 을 갖는 상부 전극 (110), 단일의 디스크 또는 판으로 이루어진 배킹 부재 (140), 및 가드 링 (170) 을 포함하 는 도 2 의 샤워헤드 전극 어셈블리의 일부의 단면도를 나타낸다. 도 3 에 나타낸 것처럼, 배킹 부재 (140) 는, 도 2 에 나타낸 내부 배킹 부재 (150) 및 외부 배킹 부재 (160) 대신에 단일의 배킹 부재 (140) 가 사용될 수 있도록, 내부 전극 (120) 의 외부 에지 (121) 를 넘어 연장할 수 있다. 내부 전극 (120) 의 외부 에지 (121) 는 통상 도 3 에 나타낸 것처럼 수직이다. 그러나, 내부 전극 (120) 의 외부 에지 (121) 는 수직이 아닌 방위를 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 3 에 나타낸 것처럼, 외부 전극 (130) 의 내부 에지 및 외부 에지는 외부 전극의 하부면을 향하여 경사진 내부면 및 외부면을 포함할 수 있다. 외부 전극 (130) 의 하부면을 가진 내부면 및 외부면은 내부 전극 (120) 의 하부면보다 더 큰 깊이의 구역 (102) 으로 연장할 수 있다. 외부 전극 (130) 의 내부면은 여기에 전체 참조로 포함되는 공동 소유된 미국특허 제6,824,627호에서 설명된 것처럼 단차부 111 로서 설명될 수 있다. 단차부 111 은, 플라즈마 프로세싱 동안 노출된 하부면들에 인접하게 형성된 플라즈마의 밀도를 제어하기 위해 제공된다. 단차부 111 은 바람직하게는 실질적으로 하부 전극 (미도시) 의 에지 링 위에 정렬되고 웨이퍼의 에지 바로 바깥쪽에 위치된다. 내부면과 외부면의 각도들은 바람직하게는 약 15 도와 85 도 사이이다.
일 실시형태에 의하면, 외부 전극 (130) 은 바람직하게는 복수의 세그먼트들로 이루어지며, 그 세그먼트들은 엘라스토머 접합 재료로 서로 부착된다. 복수의 세그먼트들은 프로세싱 구역 (102) 에서의 반도체 기판의 프로세싱 동안 외부 전극 (130) 의 팽창을 허용한다. 프로세싱 동안, 열이 내부 전극 (120) 및 외부 전극 (130) 으로부터 내부 배킹 부재 (150), 외부 배킹 부재 (160), 및 가드 링 (170) 으로 전달된 후, 열 전도를 통해 상부판 (104) 으로 전달된다.
도 4 는, 일 실시형태에 따른 가드 링 (170) 의 상부도를 나타낸다. 도 4 에 나타낸 것처럼, 가드 링 (170) 은 바람직하게는 내부 직경 (171) 및 외부 직경 (173; 도 5) 을 갖는 원형이다.
도 5 는, 라인 5 - 5 를 따라 도 4 의 가드 링 (170) 의 단면도를 나타낸다. 도 5 에 나타낸 것처럼, 가드 링 (170) 은 내부 직경 (171) 및 외부 직경 (173) 을 갖는 원형이다. 일 실시형태에 의하면, 가드 링 (170) 의 내부 직경 (171) 은, 상부 배킹 부재가 약 16.620 인치 내지 16.660 인치의 외부 직경을 갖는 경우 바람직하게는 16.695 인치 내지 16.725 인치, 더 바람직하게는 약 16.705 인치 내지 16.715 인치, 및 가장 바람직하게는 약 16.710 인치이다. 가드 링의 외부 직경 (173) 은, 상부 배킹 부재가 약 16.620 인치 내지 16.660 인치의 외부 직경을 갖는 경우 바람직하게는 약 16.980 인치 내지 17.020 인치, 더 바람직하게는 약 16.990 인치 내지 17.010 인치, 및 가장 바람직하게는 약 17.000 인치이다. 가드 링 (170) 의 내부 직경 (171) 및 외부 직경 (173) 은, 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 직경을 포함하는 배킹 부재 (140) 의 외부 직경에 의존하여 변할 것이라는 것을 알 수 있다.
도 6 은, 다른 실시형태에 따른 가드 링 (170) 의 단면도를 나타낸다. 도 6 에 나타낸 것처럼, 가드 링 (170) 은 바람직하게는 내부 에지 (172), 외부 에 지 (174), 하부면 (176) 및 상부면 (178) 으로 이루어진 직사각형 단면을 갖는다. 내부 에지 (172) 및 외부 에지 (174) 는 바람직하게는 약 0.380 인치 내지 0.394 인치, 더 바람직하게는 약 0.384 인치 내지 0.390 인치, 및 가장 바람직하게는 약 0.387 인치의 높이 (177), 및 약 0.140 인치 내지 0.150 인치, 더 바람직하게는 약 0.142 인치 내지 0.147 인치, 및 가장 바람직하게는 약 0.145 인치의 폭 (179) 을 갖는다. 일 실시형태에 의하면, 내부 에지 (172), 외부 에지 (174), 하부면 (176) 및 상부면 (178) 사이의 코너들은 바람직하게는 약 0.025 인치와 0.010 인치 사이의 반경을 가진채 둥글게 된다. 가드 링 (170) 의 높이 (177) 및 폭 (179) 은, 외부 배킹 부재 (160) 의 높이 및 폭을 포함하는 배킹 부재 (140) 의 높이 및 폭에 의존하여 변할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7 은, 일 실시형태에 따라 외부 배킹 부재 (160) 를 둘러싸는 가드 링 (170) 을 갖는 외부 전극 (130) 및 배킹 부재 (140) 의 일부의 단면도를 나타낸다. 도 7 에 나타낸 것처럼, 가드 링 (170) 은, 외부 배킹 부재 (160) 를 둘러싸고, 바람직하게는 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 주위에 동심으로 위치되거나 센터링되도록 구성된다. 가드 링 (170) 은 내부 에지 (172), 외부 에지 (174), 하부면 (176), 및 상부면 (178) 을 갖는다. 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 와 가드 링 (170) 의 내부 에지 (172) 사이에는 내부 갭 (200) 이 존재한다. 가드 링 (170) 은 바람직하게는 센터링 엘리먼트 (210) 를 통하여 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 주위에 센터링된다.
가드 링 (170) 은, 스프링, 스프링형 디바이스 또는 다른 엘라스토머 엘리먼 트 (220) 를 가진 적절한 센터링 엘리먼트 (210) 를 이용하여 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 주위에 센터링될 수 있다는 것을 알 수 있다. 도 7 에 나타낸 것처럼, 외부 배킹 부재 (160) 는 바람직하게는 복수의 홀들 또는 공동들 (212) 을 포함하며, 이 복수의 홀들 또는 공동들 (212) 은, 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 와 가드 링 (170) 의 내부 에지 (172) 사이에 내부 갭 (200) 을 생성하는 센터링 엘리먼트 (210) 를 수용하도록 구성된다. 홀들 또는 공동들 (212) 은, 센터링 엘리먼트 (210) 의 외부 직경보다 약간 더 큰 직경 (214) 을 갖는다. 센터링 엘리먼트 (210) 는, 상부 전극 (110), 배킹 부재 (140) 및 가드 링 (170) 의 열팽창 및/또는 수축 동안, 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 와 가드 링 (170) 의 내부 에지 (172) 사이의 거리를 제어하도록 구성된다. 또한, 가드 링 (170) 의 외부 에지 (174) 와 플라즈마 한정 어셈블리 (180) 의 내부 에지 (182) 사이에는 상부 방사방향 갭 (또는, 외부 갭) (244) 이 존재한다.
도 7 에 나타낸 것처럼, 가드 링 (170) 은, 외부 전극 (130) 의 상부면 바로 위에 위치되고, 센터링 엘리먼트 (210) 를 통하여 배킹 부재 (140) 주위에 동심으로 센터링될 수 있다. 가드 링 (170) 의 외부 에지 (174) 와 한정 어셈블리 (180) 의 내부 에지 (182) 사이의 방사방향 갭 (244) 은 바람직하게는, 시스템 (100) 이 광대한 온도 범위에 걸쳐 동작가능하도록 일관된 거리로 유지되는데, 이는 이용 중에 일관된 가스 성능을 제공하고 시스템 (100) 에 향상된 성능을 제공한다.
일 실시형태에 의하면, 외부 방사방향 갭 (240) 이 하부 방사방향 갭 (242) 및 상부 방사방향 갭 (244) 을 포함할 수 있다. 하부 방사방향 갭 (242) 은, 외부 전극 (130) 의 외부 에지 (134) 와 한정 어셈블리 (180) 의 내부 에지 (182) 사이에 있다. 상부 방사방향 갭 (244) 은, 가드 링 (170) 의 외부 에지 (174) 와 한정 어셈블리 (180) 의 내부 에지 (182) 사이에 있다. 300mm 상부 전극 어셈블리에 대한 상부 방사방향 갭 (244) 은, 이용 중의 전극 어셈블리 (100) 의 팽창 및 수축 전에, 바람직하게는 0.0325 인치 내지 0.0375 인치, 및 더 바람직하게는 약 0.035 인치의 상부 방사방향 갭 (244) 을 가질 것이다. 하부 방사방향 갭 (242) 은 바람직하게는 약 0.058 인치 내지 0.060 인치, 및 더 바람직하게는 약 0.059 인치일 것이다.
상이한 재료가 상부 전극 (110) 및 배킹 부재 (140) 및 가드 링 (170) 에 대해 사용된 결과로서, 상부 방사방향 갭 (244) 및 하부 방사방향 갭 (242) 은 시스템의 동작 동안 변할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 가드 링 (170) 을 부가함으로써, 시스템이 광범위한 동작 온도에 걸쳐 향상된 성능을 제공하도록 그 차이가 제어될 수 있다는 것을 알 수 있다.
가드 링 (170) 은 바람직하게는 이웃하는 WAP (Wafer Area Plasma) 한정 어셈블리 (180) 와 동일한 재료 (예를 들어, 석영) 로 제조된다는 것을 알 수 있다. 도 7 에 나타낸 것처럼, 한정 어셈블리 (180) 는 가드 링 (170) 의 외부 직경 (173) 보다 더 큰 직경을 가질 것이다. 플라즈마 챔버의 이용 또는 동작 동안, 가드 링 (170) 은, 복수의 한정 링들 (190; 미도시) 을 포함하는 한정 어셈블리 (180) 와 유사한 레이트로 팽창 및/또는 수축한다. 따라서, 광대한 온도 범위 에 걸쳐 복수의 한정 링들 (190) 을 포함하는 한정 어셈블리 (180) 와 가드 링 (170) 사이에 일관된 방사방향 갭 (240) 이 유지되며, 이는 일관된 가스 흐름 성능을 제공한다.
일 실시형태에 의하면, 가드 링 (170) 은 낮은 열팽창 계수 (CTE) 를 갖는 재료로 제조되는데, 이는 광대한 온도 범위에 걸쳐 치수 안정적이라는 것을 알 수 있다. 대안으로, 가드 링 (170) 및 (복수의 한정 링들 (190) 을 포함하는) 한정 어셈블리 (180) 는 유사한 열팽창 계수를 갖는 상이한 재료들로 제조될 수 있으며, 그 재료는 전기 절연성 및 유전 재료 특성들을 갖는다. 이용 시에, 가드 링 (170) 은, 챔버 내의 동작 조건들을 변화시키는 동안 가드 링 (170) 과 (복수의 한정 링들 (190) 을 포함하는) 한정 어셈블리 (180) 사이의 방사방향 갭 (244) 의 편차를 최소화시킨다.
다른 실시형태에 의하면, 방사방향 갭 (244) 은, 가드 링 (170) 및 (복수의 한정 링들 (190) 을 포함하는) 한정 어셈블리 (180) 가 최악의 경우도 고려한 제작 허용오차 및 최악의 경우도 고려한 오정렬 (misalignment) 의 결합된 효과에 따라 서로 방사방향으로 접촉하지 않는 것을 보장할만큼 충분히 크다. 또한, 방사방향 갭 (244) 은 바람직하게는 최소의 갭을 유지하며, 이는 최적의 챔버 성능을 위해 프로세스 가스 흐름 경로의 이러한 영역에서 가스 전도성 (gas conductance) 을 가능한 낮게 유지한다.
또한, 가드 링 (170) 과 상부 전극 배킹 부재 (140) 사이의 방사방향 갭 (200) 은, 허용오차가 더 잘 제어될 수 있도록 최소화될 수 있다. 상기 설명된 것처럼, 내부 갭 (200) 은 바람직하게는, 가드 링 (170) 및 상부 배킹 부재 (140) 가 이용 중에 서로 방사방향으로 접촉하지 않도록 구성된다. 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 와 가드 링 (170) 의 내부 에지 (172) 사이에 내부 갭 (200) 을 유지함으로써, 최악의 경우도 고려한 제작 허용오차 및 최악의 경우도 고려한 오정렬을 포함하는 결합된 상황들에 따른 접촉을 회피할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 시스템 동작 범위에 걸친 상부 전극 배킹 부재 (140) 의 열팽창 동안 배킹 부재 (140) 와 가드 링 사이의 접촉이 회피될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 가드 링 (170) 은, 플라즈마의 프리 라디칼 및 이온 충돌에 대한 상부 전극 배킹 부재들 (140) 의 외부 원형면의 뷰 팩터 노출 (view factor exposure) 을 최소화시킨다. 일 실시형태에 의하면, 배킹 부재 (140) 가 알루미늄으로 이루어지는 경우, 배킹 부재 (140) 의 표면 상에의 알루미늄 플루오라이드의 형성물이 제거 및/또는 최소화될 수 있다.
가드 링 (170) 은, 가드 링 (170) 이 실리콘 상부 전극 (110) 과 배킹 판 또는 부재 (140) 사이의 노출된 접합 라인 (bond line) 들을 플라즈마의 프리 라디칼 및 이온 충돌의 침식 영향 (eroding affect) 으로부터 보호할 수 있도록, 가드 링 (170) 과 지지하는 상부 전극의 실리콘면 사이의 임의의 축방향 갭들을 최소화 또는 제거하도록 구성된다. 또한, 가드 링 (170) 이 챔버 성능을 최적화시키기 위해 노출된 접합 라인을 통하여 프로세스 가스들이 흐르는 것을 최소화 또는 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.
다른 실시형태에 의하면, 가드 링 (170) 은 또한, 가드 링 (170) 과 열 제어 부재 (102) 사이의 축방향 갭을 최소화시킬 수 있다. 또한, 가드 링 (170) 이 플라즈마의 프리 라디칼 및 이온 충돌에 대한 열 제어 부재 (102) 의 표면의 노출을 최소화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
추가 실시형태에 의하면, 배킹 부재 (140) 및 플라즈마 에칭 챔버에 대한 가드 링 (170) 의 부가, 및 상기 요인들 모두의 제어에 의해, 상부 전극 배킹 부재 (140) 와 한정 링들 (190) 사이의 전기적 아킹 또는 플라즈마 라이트-업을 제거할 수 있다.
도 8 은, 다른 실시형태에 따른 가드 링의 단면도를 나타낸다. 도 8 에 나타낸 것처럼, 가드 링 (170) 은 내부 에지 (172) 로부터 하부면 (176) 까지 연장하는 경사진 하부 에지 (175; 또는 모따기된 면) 를 갖는다. 내부 에지 (172) 및 외부 에지 (174) 는 바람직하게는 약 0.332 인치 내지 0.372 인치, 더 바람직하게는 약 0.342 인치 내지 0.362 인치, 및 가장 바람직하게는 약 0.352 인치의 높이 (177), 및 약 0.140 인치 내지 0.150 인치, 더 바람직하게는 약 0.142 인치 내지 0.147 인치, 및 가장 바람직하게는 약 0.145 인치의 폭 (179) 을 갖는다. 경사진 하부 에지 (175) 는, 약 0.090 인치 내지 0.110 인치 및 더 바람직하게는 약 0.100 인치의 거리에 대해 내부 에지 (172) 로부터 외부 에지 (174) 까지 연장할 수 있고, 약 50 도 내지 70 도, 및 더 바람직하게는 약 60 도의 내부 에지와의 각도를 형성한다. 일 실시형태에 의하면, 내부 에지 (172), 외부 에지 (174), 하부면 (176), 상부면 (178) 및 경사진 하부 에지 (175) 사이의 코너들은 바람직하게는 약 0.025 인치와 0.010 인치 사이의 반경을 가진채 둥글게 된다. 내부 에지 (172) 와 하부 에지 (175) 가 만나는 코너에서, 그 코너는 최대 약 0.005 인치의 에지 브레이크를 포함한다는 것을 알 수 있다.
도 9 는, 다른 실시형태에 따라 외부 상부 배킹 부재 (160) 를 둘러싸는 가드 링 (170) 을 갖는 상부 전극 (110) 및 배킹 부재 (140) 의 일부의 단면도를 나타낸다. 도 9 에 나타낸 것처럼, 시스템은 가드 링 (170) 의 내부 에지 (172) 로부터 하부면 (176) 까지 연장하는 경사진 하부 에지 (175; 또는 모따기된 면) 를 가진 가드 링 (170) 을 포함한다. 원형 링 (230) 형태의 센터링 엘리먼트 (210) 는, 외부 배킹 부재 (160) 의 외부 에지 (164) 와 가드 링 (170) 의 경사진 하부 에지 (175) 사이에 위치되고, 외부 전극 (130) 의 상부면 (138) 상에 위치된다. 원형 링 (230) 은 바람직하게는 Teflon® (폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)), 플루오로폴리머 재료, 폴리이미드, 이를 테면, Vespel®, 또는 다른 적절한 폴리머 또는 폴리머형 재료로 제조된 중공 링이다. PDFE 재료가 다른 요인들로 인해 사용될 수 없는 경우, 가장 낮은 마찰 계수를 가진 재료가 바람직하다는 것을 알 수 있다. 원형 링 (230) 은, 이용 중의 배킹 부재 및 가드 링 (170) 의 열팽창 및 수축 동안, 가드 링 (170) 의 완전한 원주에 대하여 가드 링 (170) 과 외부 배킹 부재 사이에 균일한 갭 (200) 을 유지하는데 이용된다.
도 9 에 나타낸 것처럼 실시형태에 의하면, 가드 링 (170) 은 바람직하게는 상부 전극 (110) 또는 외부 전극 (130) 의 상부면 (138) 상에 존재하거나 놓이지 않는다. 표면들 (172, 175) 사이의 각도, 및 표면들 (176 및 138) 사이의 갭 은, 표면들 (176) 이 모든 열 및 허용오차 조건들 하에서 접촉 또는 접촉 상태가 되지 않는 것을 보장하도록 최적화된다. 원형 링 (230) 은 또한, 상부 전극 접합제 및 외부 원뿔면까지의 임의의 가시선 또는 가스 흐름 경로를 차단할 수 있는데, 이는 상부 전극 접합제를 플라즈마의 프리 라디칼 및 이온 충돌로부터 보호한다. 또한, 이것은, 상부 전극 배킹판 외부면을 플라즈마로부터의 프리 라디칼 및 이온 충돌 노출, 및 관련 알루미늄 플루오라이드 형성물로부터 보호한다.
본 발명은 바람직한 실시형태들을 참조하여 설명되어 있다. 그러나, 당업자는, 본 발명의 사상으로부터 벗어남 없이 상기 설명된 것과 달리 본 발명을 특정 형태들로 구체화하는 것이 가능하다는 것을 쉽게 알 것이다. 바람직한 실시형태는, 예시이며, 어떤 방법으로든 제한으로 간주되어서는 안된다. 본 발명의 범위는, 선행하는 설명이 아닌 첨부된 클레임에 의해 제공되며, 클레임의 범위 내에 있는 모든 변형물들 및 등가물들이 여기에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 반도체 기판 프로세싱에 사용되는 플라즈마 반응 챔버에 대한 전극 어셈블리로서,
    상부 전극;
    상기 상부 전극의 상부면에 부착가능한 배킹 부재; 및
    상기 배킹 부재의 외부면을 둘러싸고 상기 상부 전극의 상기 상부면 위에 위치된 외부 링을 포함하는, 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 외부 링이 석영으로 이루어지거나; (b) 상기 배킹 부재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지거나; (c) 상기 상부 전극이 단결정 실리콘으로 이루어지거나; 또는 (d) 상기 상부 전극은 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는, 전극 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외부 전극은 복수의 세그먼트들을 포함하며, 상기 복수의 세그먼트들은 외부 전극 링을 형성하고 상기 복수의 세그먼트들 각각의 계면에서 중첩면을 갖는, 전극 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 배킹 부재가 내부 배킹 부재 및 외부 배킹 부재를 포함하거나; (b) 접합 재료가 상기 상부 전극의 상기 상부면을 상기 배킹 부재에 부착시키거나; 또는 (c) 상기 상부 전극이 단결정 실리콘으로 이루어지는, 전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 링은 직사각형 단면을 갖는, 전극 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 링은, 상부 수직면 및 하부 경사진면을 포함하는 내주 (inner periphery) 를 갖는, 전극 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 링의 하부면은 상기 상부 전극의 상기 상부면의 외측으로 연장하는, 전극 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    (a) 상기 외부 링이 일반적으로 직사각형 단면을 갖거나; (b) 상기 배킹 부재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지거나; (c) 상기 상부 전극이 단결정 실리콘으로 이루어지거나; 또는 (d) 상기 외부 링이 석영으로 이루어지는, 전극 어셈블리.
  9. 반도체 기판 프로세싱에 사용되는 플라즈마 반응 챔버의 전극 어셈블리에서 사용하기 위한 가드 링으로서,
    상기 전극 어셈블리는 배킹 부재에 접합된 샤워헤드 전극을 포함하고, 한정 링 어셈블리가 상기 전극 어셈블리를 둘러싸며,
    상기 가드 링은,
    상기 배킹 부재의 외주 (outer periphery) 와 상기 한정 링 어셈블리의 내주 사이에 끼워 맞추도록 구성되며, 상부 전극의 상부면 위에 놓이도록 구성된 하부면을 갖는, 가드 링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가드 링은 석영으로 이루어지고, 상기 가드 링의 내주 상에 도포물 (coating) 을 선택적으로 포함하는, 가드 링.
  11. 전극 어셈블리의 배킹 부재 주위에 가드 링을 센터링하는 방법으로서,
    상기 배킹 부재는 반도체 기판 프로세싱에 사용되는 플라즈마 반응 챔버에서 플라즈마를 생성시키기 위해 사용되는 전극에 접합되며,
    상기 가드 링을 센터링하는 방법은,
    상기 가드 링의 하부면이 상부 전극의 상부면 위에 놓이도록 상기 배킹 부재의 외부면을 둘러싸도록 상기 가드 링을 위치시키는 단계를 포함하는, 가드 링을 센터링하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응 챔버에 상기 전극 어셈블리를 설치하는 단계를 더 포함하는, 가드 링을 센터링하는 방법.
  13. 제 1 항에 기재된 전극 어셈블리를 포함하는 플라즈마 챔버에서 반도체 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
    상기 플라즈마 챔버에서, 상기 상부 전극으로부터 갭에 의해 분리된 하부 전극 상에 반도체 기판을 지지하는 단계;
    상기 갭 내에 프로세스 가스를 공급하고 상기 프로세스 가스를 플라즈마로 에너자이징하는 단계; 및
    상기 플라즈마로 상기 반도체 기판을 프로세싱하는 단계를 포함하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플라즈마는, 플라즈마 한정 링 어셈블리에 의해 상기 갭에 한정되고, 상기 프로세싱 동안, 상기 외부 링은 상기 전극 어셈블리와 상기 플라즈마 한정 링 어셈블리 사이에 소정의 거리를 유지하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 외부 링은, 상기 플라즈마가 상기 배킹 부재와 상기 상부 전극 사이의 접합제를 공격하는 것을 방지하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세싱은 플라즈마 에칭을 포함하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세싱 동안, RF 바이어스가 상기 반도체 기판에 인가되는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세싱 동안, 상기 외부 링은 플라즈마 한정 링 어셈블리의 한정 링들과 동일한 레이트로 열적으로 팽창하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 외부 링 및 상기 플라즈마 한정 링 어셈블리의 한정 링들은 석영으로 이루어지는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
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